一種新型深海壓力傳感器的設計與系統仿真研究

朱 駿, 王淮陽, 王 勇

(合肥工業大學 機械工程學院,安徽 合肥 230009)

一種新型深海壓力傳感器的設計與系統仿真研究

朱 駿, 王淮陽, 王 勇

(合肥工業大學 機械工程學院,安徽 合肥 230009)

隨著對深海探測的不斷深入,對壓力傳感器的測量性能提出了更高要求。為了實現在一定的大壓力下對微小水壓變化的精確測量,文章設計了一種活塞式深海壓力測量傳感器,該傳感器不僅可以主動調節傳感器的內外壓力差,采用壓力累加的方法獲得大水深的壓力值,還有效地提升了對微小水壓變化的識別度。采用AMESim軟件對整個傳感器系統建立了仿真模型,分析了該活塞式壓力傳感器在深海中對不同動作模式的響應情況。結果表明,在6 000 m水深的情況下,出現10m水深波動時,該傳感器的測量誤差約為1.284 mm。

深海環境;壓力測量;活塞式;AMESim軟件;微小水壓

0 引 言

深海環境復雜極端且資源豐富多樣,海洋作為當前科學探究和國際資源爭奪的新陣地,發展深海探測技術已成為提升深海開發能力、提高深海研究水平非常重要的環節[1]。對深海環境進行探測時,微小水壓變化的測量顯得尤為重要,如在危及人類生命安全的海嘯預警系統中,要求海嘯計中的壓力傳感器在5 000 m海底時能夠測量的壓力變化應達到毫米級水柱(即靈敏度為2×10-7)[2]。

文獻[3]提出了一種可用于固定水深下對壓力測量的動靜壓力傳感器方法。文獻[4]研制了一種用于入水深度測量的高靈敏度光纖光柵壓力傳感器,該傳感器在其最大量程25 MPa的壓力范圍內,精度達到了0.19%FS。美國CiDRA公司研制的光纖壓力傳感器在0～34.5 MPa的測量范圍內,誤差為±68.9 kPa[5]。

由于現有的海洋壓力傳感器對大測量范圍與高靈敏度之間的矛盾缺少有效的解決手段,本文設計的活塞式深海壓力傳感器采用壓力平衡的方式[6],通過控制電機來實現活塞在缸體中的移動,增大了壓力傳感器內部的油液壓力來平衡海水壓力,同時利用AMESim軟件對壓力傳感器系統進行了仿真試驗,試驗結果表明，采用小量程的傳感器不僅可以對深海下的大壓力進行測量,還能測量出微小的壓力變化。

1 系統的組成及工作原理

1.1 機械系統

活塞式壓力傳感器的機械傳動部分由油腔缸體、液壓缸、絲杠、聯軸器以及伺服電機組成,如圖1所示。裝設有壓力傳感器的油腔缸體通過管路和液壓缸相連通,且傳感器的內部與油腔缸體內部相連通。液壓缸的活塞桿固定連接于絲杠的螺母上,絲杠一端通過聯軸器與控制電機直接連接,這里不安裝減速器的伺服控制電機可以直接實現大轉矩與低轉速的運動[7]。電機的運轉帶動絲杠進行旋轉,使得活塞桿進行前后移動,控制液壓缸容積發生改變,使得傳感器的內部容積發生變化,從而實現了壓力的平衡。

1.裝有壓力傳感器的油腔缸體 2.液壓缸 3.活塞桿 4.絲杠 5.聯軸器 6.伺服電機 7.機架 圖1 機械傳動系統組成

1.2 控制系統原理

計算機控制系統由控制器、檢測油腔缸體壓力的壓力傳感器、A/D 卡、D/A 卡、伺服電機及其驅動器等組成。當外部的壓力增大時,壓力傳感器就會將檢測到的信號傳輸給控制器,控制系統對壓力信號進行分析后發出電信號,通過D/A 卡、伺服電機的驅動器對電機進行控制和驅動。伺服電機驅動絲杠移動從而帶動液壓缸的活塞桿進行伸縮運動, 使油腔缸體內的壓力發生變化。內部與油腔缸體相通的壓力傳感器再將壓力信息反饋到計算機上,這樣形成了閉環控制回路, 實現活塞式壓力傳感器內外壓力的平衡。

1.3 液體的可壓縮性

液體的可壓縮性是指液體在溫度不變的情況下,由于壓力的增大液體的體積會縮小、密度會增大的特性[8]。體積為V的液體,當壓力變化為Δp時,體積的變化為ΔV,液體體積變化量的計算公式為：

(1)

其中βe為油液的彈性模量,此處取1 800 MPa。

活塞式壓力傳感器應滿足實時測量的要求,液壓缸的活塞桿橫截面積A=0.000 113 m2,同時為保證壓力傳感器在60 MPa內,能模擬10 m/s以下的穩定的下潛或者上升速度,則需要的體積V=βeΔV/Δp=0.000 25 m3。由此可見,在水深壓力變化時,通過增大壓力傳感器內部的油液壓力來平衡外部的海水壓力方法是可以滿足實驗要求的。

2 系統仿真

2.1 建立模型

參考機械系統的組成,利用AMESim仿真軟件搭建該活塞式壓力傳感器的物理模型,如圖2所示。圖2中,輸出控制指令僅采用比例-積分-微分(proportion-integral-deerivative,PID)控制方法。

圖2 活塞式壓力傳感器的物理模型

2.2 動態特性仿真

按照系統技術要求和各組成部分的實際參數,在物理模型中輸入參數后運行仿真模型,可以得到活塞式傳感器壓力平衡的控制響應曲線。壓力傳感器內輸入1 MPa的階躍信號后,得到的壓力響應曲線對比圖如圖3所示。

圖3 采用PID控制器的系統響應曲線

通過圖3中壓力曲線可以看出,系統經過約2 s后達到穩定狀態,系統處于穩定狀態后,在第10秒時對壓力平衡控制系統施加一個大小為0.1 MPa、持續時間為0.05 s的脈沖干擾,從圖3中可以看出,與施加干擾前的壓力相比較,系統的最大壓力偏差為0.098 477 MPa,約在第11秒時回到穩定的狀態。通過對模擬仿真的結果分析得知,壓力控制系統的控制精度較高,對干擾信號的反應較為迅速,可以滿足活塞式壓力傳感器的測量要求。

2.3 定深壓力過程仿真

根據技術要求,為了模擬活塞式壓力傳感器在水下對壓力的反應情況,依據我國載人潛水器蛟龍號海試的最大下潛速度為25 n mile/h(約為12.86 m/s)[9],對其控制系統輸出如下周期性曲線:使壓力傳感器從0開始受壓,加壓速度為0.1 MPa/s,加壓至60 MPa后穩定100 s,然后以10 m/s的速度減壓到0。該過程即模擬壓力傳感器以10 m/s的速度,從水面下潛至6 000 m深,保持100 s后,再以10 m/s的速度上浮至水面。調整PID控制器的參數運行系統仿真模型，可以得到仿真結果如圖4所示。

圖4 對大壓力的系統控制響應

傳感器對大壓力的系統響應誤差如圖5所示，由圖5可以看出,在傳感器下潛及上浮階段,系統的誤差范圍在0.04 MPa之內,控制系統的壓力平衡控制較為準確。在傳感器穩定階段時,控制曲線與實際的響應曲線幾乎重合。最大誤差出現在傳感器上浮至水面及開始下潛的0階段,誤差約為0.28 MPa,精度約為0.47%FS,通過調整模型的參數分析得出:這個階段由于油腔缸體內的液壓油壓力較低,向液壓缸中排出或者輸入工作油液較困難造成的,該誤差對活塞式壓力傳感器的壓力測量影響較小,在可以接受的誤差范圍之內。

圖5 傳感器對大壓力的系統響應誤差

2.4 微小壓力變化仿真

為了驗證活塞式壓力傳感器滿足在大水壓下測量微小水壓變化的要求,對其控制系統輸出如下周期性曲線:使壓力傳感器從60MPa開始受壓,受壓曲線為幅值0.1 MPa、頻率0.05 Hz的正弦曲線。該過程模擬傳感器在6 000 m的海水壓力下,對10 m水深變化波動時的反應情況。調整PID控制器的參數運行系統仿真模型可以得到仿真結果如圖6所示。

圖6 對微小壓力變化的系統控制響應

對微小壓力變化的系統控制響應誤差如圖7所示，由圖7可以看出,控制系統響應迅速,所得的響應曲線無滯后性,實時性較好。活塞式壓力傳感器在60 MPa的壓力下,出現0.1 MPa的壓力變化時,系統誤差范圍在1.5×10-2MPa之內。最大的誤差出現在傳感器處于波動中值60 MPa處,誤差約為1.284×10-2MPa,即在6 000 m水深的情況下,出現10 m水深變化時,傳感器的測量誤差約為1.284 mm。由此可知,在伺服進給系統滿足系統響應速度的條件下,活塞式壓力傳感器能夠滿足測量微小水壓變化的要求。

圖7 對微小壓力變化的系統控制響應誤差

3 結 論

(1) 利用控制電機、聯軸器和絲杠等傳動機構,可以更加方便且精確地控制液壓缸中活塞位移量的大小,采用PID控制方法的傳感器系統可以更好地平衡活塞式壓力傳感器內外的壓力差。

(2) 在一定的壓力速度變化范圍內,活塞式壓力傳感器能夠實現對外部海水壓力的實時平衡,在壓力穩定階段傳感器能夠實現對大水壓的測量,在6 000 m水深的情況下,最大測量誤差約為0.28 MPa,精度約為0.47%FS。

(3) 在一定的水深壓力下,活塞式壓力傳感器能夠實現對外部海水微小水壓變化的測量,具有較高的測量精度,在6 000 m水深的情況下,出現10 m水深變化時,傳感器的測量誤差約為1.284 mm。

[1] 中國科學院.2011高技術發展報告[M]. 北京:科學出版社,2011:108-110.

[2] GONZALEZ F I,MILBURN H B,BERNARD E N，et al.Deep-ocean assessment and reporting of Tsunamis(DART): brief overview and status report[C]//Proceedings of the International Workshop on Tsuami Disater Mitigation,19-22 January 1998, Tokyo, Japan.[S.l.:s.n.],1998:118-129.

[3] 徐永君,陳力,劉玉標,王曉玲. 一種深水壓力的測量方法及其裝置200310102242.3[P].2004-10-27.

[4] 何少靈,郝鳳歡,劉鵬飛,等. 溫度實時補償的高精度光纖光柵壓力傳感器[J]. 中國激光,2015,42(6):0605003-1-0605003-5.

[5] Reservoir performance, OptoLog(r) DTS-fiber optic distributed temperature monitoring system[EB/OL].(2010-05-09).http://www. Halliburton. com.

[6] 王勇,劉正士,劉煥進,等.壓力或差壓傳感器的壓力標定裝置及標定方法102519669[P].2013-09-18.

[7] 夏鏈,仇靜,陸愛明，等. 面向芯片封裝的直線電機精密定位控制技術研究[J].合肥工業大學學報：自然科學版，2014，37(9):1026-1029.

[8] 王同建.液壓傳動與控制[M].北京:機械工業出版社,2014:134-136.

[9] 中國新聞網. “蛟龍”號主要技術指標及應用領域[N/OL].(2010-08-26).http://www.chinaneus.con/gn/2010/08-26/2492940.shtml.

(責任編輯 馬國鋒)

Design and simulation of a new type of deep-sea pressure sensor

ZHU Jun, WANG Huaiyang, WANG Yong

(School of Mechanical Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China)

With the deepening of deep-sea exploration, higher requirements for the measuring performance of the pressure sensor are raised. In order to achieve accurate measurement of the small pressure changes under a certain pressure, a kind of piston type deep-sea pressure sensor is designed. It can not only take the initiative to adjust the sensor internal and external pressure difference, to get the deep water pressure value using the method of pressure accumulation, but also effectively improve the recognition of small pressure changes. The simulation model of the whole sensor system is established based on AMESim software, and the response of the piston type pressure sensor to different action modes is analyzed. The result shows that in the case of the depth of 6 000 m, when depth of 10 m water fluctuation occurs, the measurement deviation of the sensor is about 1.284 mm.Key words:deep-sea environment; pressure measuring; piston type; AMESim software; small pressure

2016-01-28；

2016-03-08

國家自然科學基金資助項目(41076061;51279044)

朱 駿(1990-),男,浙江杭州人,合肥工業大學碩士生; 王 勇(1969-),男,安徽合肥人,博士, 合肥工業大學教授,博士生導師.

10.3969/j.issn.1003-5060.2017.02.002

TH76

A

1003-5060(2017)02-0150-04